中南大学孙健/刘晓迟课题组《ACS AMI》：MoTe2/MoS2范德华异质结构载流子输运调控

点击蓝字关注我们

二维材料范德华异质结的出现为基础科学和技术应用开辟了新视野，在过去的十年中引起了来自全球科学家的广泛关注与研究。基于二维过渡金属二硫化物（TMDs）的半导体范德华异质结构具有独特的物理特性，而且电场对其具有可调控性。控制TMDs及其范德华异质结构中的载流子类型和能带对齐对于实现具有所需的特定性能和功能的异质结至关重要。

近期，中南大学孙健教授、刘晓迟副教授课题组通过厚度工程和表面电荷转移掺杂实现了对垂直MoTe₂/MoS₂异质结中载流子类型和能带对齐的调控。通过使用不同厚度的 MoTe₂薄片获得了高度整流的p-n结二极管和非整流的n-n结二极管。并通过可控的氧等离子体处理选择性地诱导了MoTe₂的p型简并掺杂，而MoS₂则保持其本征的n型特性，从而实现了垂直的隧穿二极管。相关工作以“Control of Carrier Transport in Vertical MoTe₂/MoS₂ van der Waals Heterostructure”为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。

Ⅰ  MoTe₂/MoS₂异质结的厚度相关传输行为

由于TMDs表现出厚度调制的能带结构，因此可以通过选择异质结中TMDs的厚度来控制其掺杂程度，从而调控其能带对齐。当减小MoTe₂薄片厚度时，可实现MoTe₂ 场效应晶体管 (FET) 的转移特性从 n型到p型主导的双极性特性。因此，通过改变MoTe₂的厚度，可以对MoTe₂/MoS₂范德华异质结中载流子输运情况相应地进行调制。

较厚的MoTe₂ (~50 nm) 掺杂程度较高，在栅极调控下呈现出n型传输特性。其与MoS₂的能带错配较小，在界面处形成相对低的势垒，对异质结的载流子输运调控有限。MoTe₂/MoS₂异质结的转移特性因此遵循电导较低的沟道端的趋势。由于MoTe₂和MoS₂均为n型，异质结也表现出n型特性，其输出曲线具有较好的线性特征及对称性，无整流行为。

 

图 1. 使用较厚的 MoTe₂ （~50 nm）制备的垂直MoTe₂/MoS₂ 范德华异质结性能。 (a) MoTe₂/MoS₂ 器件的示意图（顶部）和光学显微镜图像（底部）（比例尺：5 μm）；(b) 能带对齐；(c) 转移特性曲线（V_DS = 0.1 V）；（d）输出特性曲线（V_G = 0 V）。

薄的MoTe₂（~15 nm）具有双极性转移特性，其与n型MoS₂组成的异质结输出曲线展现出强整流特性（电压施加在MoTe₂端），在 V_G = 0 V 时整流比超过 10³，这表明形成了p-n结。

图 2. 使用薄的 MoTe₂ （~15 nm）制备的MoTe₂/MoS₂ 异质结性能。(a) MoS₂ FET和 MoTe₂ FET在 V_DS = 0.1 V 时的转移特性。插图为该 MoTe₂/MoS₂ 器件的光学图像（比例尺：5 μm）；（b）输出特性曲线（线性）。插图为对数坐标下的输出特性曲线。

在反向偏压下（V_DS = -1 V），薄的MoTe₂制备的MoTe₂/MoS₂异质结在不同V_G区间具有明显不同的I_DS-V_G依赖性，整体呈现“反双极性转移特性（anti-ambipolar）”。器件的这一表现与栅极调控下MoTe₂与MoS₂之间能带对齐的演变有关。如图3b所示，在不同栅压下，异质结器件中载流子的传导由不同的输运机理主导，因此电流对栅压具有不同的依赖性。

图 3. 具有薄MoTe₂沟道的MoTe₂/MoS₂异质结转移特性曲线（a）及其能带对齐演变（b）, V_DS = -1 V。

Ⅱ  氧等离子体对异质结中MoTe₂的选择性掺杂

栅压的静电掺杂对异质结中MoTe₂及MoS₂载流子浓度的调控有限，氧等离子掺杂是更有效的调控手段。氧等离子体可以在TMDs表面引入高功函数过渡金属氧化物 MoO_x (x<3)作为p掺杂剂。低能量氧等离子体对TMDs表面的氧化主要发生在表面和边缘的缺陷位点，氧分子倾向于先吸附在硫属元素空位上，然后解离成两个氧原子。MoS₂表面的硫空位上氧解离的能垒为 0.93 eV，而MoTe₂中的碲空位解离能垒仅为 0.25 eV。因此，MoTe₂对氧等离子体更敏感。通过精确控制氧等离子体处理的条件，可以在氧化MoTe₂的表面形成简并p掺杂的同时保持MoS₂的本征n型性能，从而在简单的一步掺杂下实现p⁺-MoTe₂/n-MoS₂异质结构。在这种异质结中成功观测到了隧穿电流，而且其在不同的栅压条件下展现出不同的隧穿特性：V_G = -60 V 时表现出类似于齐纳二极管的输出特性；V_G = 60 V 时形成反向隧穿二极管。

综上，通过选择不同厚度的MoTe₂薄片，以及对异质结进行低能量氧等离子掺杂，实现了对MoTe₂/MoS₂能带对齐的大范围调节。这被成功用于构筑多功能的二极管器件，涵盖了非整流的n-n二极管，具有整流特性的p-n二极管及功能可调的齐纳二极管和隧穿二极管。这种简单的器件制备与改性方法具有很大的应用潜能。

图 4. 氧等离子体处理后MoTe₂/MoS₂器件性能。 (a) 氧等离子体处理过程示意图（顶部）以及 MoTe₂ 和 MoS₂ 表面的氧解离吸附势垒（底部）； (b) 氧等离子处理后MoS₂ FET和 MoTe₂ FET的转移特性曲线（V_DS = 0.1 V）。MoTe₂/MoS₂ 异质结转移特性曲线（c），输出特性曲线（d）及其在不同偏压和栅压下的能带对齐演变。

原文链接

Y. Pan, X. Liu*, J. Yang, W. J. Yoo, J. Sun*, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, DOI 10.1021/acsami.1c16594.

http://doi.org/10.1021/acsami.1c16594

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。